Utilisation de l'IBM Blue Gene/P de l'IDRIS : Le projet SimCoT

Simulation aux grandes échelles et simulation numérique directe de la combustion turbulente (SimCoT)

Nom du responsable et des collaborateurs : Domingo Pascale, Vervisch Luc, Lodato Guido

Affiliations : CORIA-UMR 6614, Campus du Madrillet 76 801 Saint-Etienne-du-Rouvray

La simulation numérique directe est utilisée dans le cadre de l?étude de la combustion turbulente pour mieux comprendre les phénomènes en jeu et comme appui au développement de nouvelles approches pour la modélisation. Durant le deuxième semestre 2008, une base de données a été générée constituée de deux flammes jets à différents nombre de Reynolds. Cette base de données a été utilisée afin de valider un modèle de reconstruction de la densité de flamme à partir de mesures expérimentales bidimensionnelles. Une partie des heures allouées a également permis d?effectuer une LES de jet en impaction sur un maillage très raffiné.

La simulation aux grandes échelles est un outil incontournable pour la simulation de la combustion turbulente où les effet instationnaires peuvent être importants. La LES permet aussi de capturer les grandes échelles de la turbulence et seules les petites doivent être modélisées. Le développement de modèles en direction de la LES de la combustion turbulente permettant en particulier d?obtenir des informations qualitatives sur les polluants (NOx, CO, ?) est d?une brûlante actualité. Dans ce projet, la démarche est, d?une part, de mieux comprendre la combustion turbulente et, d?autre part, de développer et de valider des modèles performants. Babel est un outil essentiel dans cette démarche. Sa puissance de calcul permet d?utiliser des maillages conséquents de plusieurs dizaines millions de points et de générer des bases de données avec des cinétiques chimiques détaillées et des niveaux de turbulence réalistes. Nous disposerons alors de bases de données permettant de tester les modèles de combustion turbulente développés dans l'équipe et d'en analyser plus rapidement les faiblesses éventuelles.

Il faut noter que si de telles bases sont présentes chez quelques rares équipes de recherche à l'étranger (Etats-Unis et Japon), elles sont difficilement échangeables de par leur encombrement et de leur gestion sur un calculateur parallèle différent de celui les ayant créées.

Le code de DNS/LES SiTCom (Simulating Turbulent Combustion) développé au CORIA et utilisé dans ce projet est un code volume fini structuré en coordonnées cartésiennes. Les termes convectifs sont traités par un schéma du quatrième ordre proposé par Ducros et al (J. Comput. Phys. 2000) et les termes diffusifs par un schéma centré d'ordre quatre. Un schéma explicite Runge-Kutta d'ordre deux ou trois peut être employé pour l'avancement en temps.

Le code est bien adapté à une architecture de type vectorielle (performances de l'ordre de 4 à 6 Gigaflop sur Brodie suivant la taille du maillage). L'application est également parallèle sous MPI. Des tests d'efficacité de la parallélisation ont montré un speed-up quasi-linéaire jusqu'à 4096 processeurs sur Babel et sera testé au-delà en 2009.

L'efficacité du code est très proche de 1. Nous avons remarqué que les performances sont très sensibles au découpage du domaine de calcul, ce sera un point à mieux comprendre afin d'exploiter au mieux les capacités de Babel.

Des simulations numériques directes de flammes turbulentes de type Bunsen ont été effectuées. Le code SiTCom dans la version incluant les conditions aux limites NSCBC 3D développées en 2007 (Lodato et al JCP 2008) a été utilisé dans cette étude. Le speed-up du code est linéaire jusqu'à 4096 coeurs et n'a pas pour l'instant été testé au-delà. Les conditions aux limites ont été adaptées pour prendre en compte la présence de termes sources d'origine chimique. La chimie est une chimie une étape en supposant un excès d'air donc seul le transport d'une variable d'avancement est nécessaire.

Deux configurations ont été étudiées : une flamme axisymétrique en moyenne (Re=2000, 8,5 M de noeuds) et une flamme avec une injection de type fente bidimensionnelle en moyenne (Re=4500, 91 M de noeuds). La flamme à Re=2000 a des conditions aux limites de type entrée et sortie subsoniques non-réfléchissantes. La flamme à Re=4500 a une entrée et une sortie subsoniques non-réfléchissantes et 4 conditions périodiques sur les côtés du domaine. Dans les deux cas, la turbulence en entrée est contrôlée avec la méthode de Klein et al JCP 2003 qui est la méthode implantée dans SiTCom pour gérer l'injection de turbulence. La figure ci-dessous présente l'allure des flammes obtenues. La résolution de la grille a été choisie pour correctement capturer toutes les échelles de la turbulence ainsi que le front de flamme.

Ces simulations ont été utilisées lors du dernier Summer Program du CTR de Stanford en collaboration avec D. Veynante (EM2C Paris) afin de valider un modèle permettant de reconstruire la densité de flamme 3D à partir de la densité de flamme 2D telle qu'elle est connue par des mesures expérimentales. L'arrivée de Babel à l'IDRIS offre de nouvelles perspectives à la simulation numérique de la combustion turbulente et en 2009 l'introduction de cinétiques réalistes pourra être entreprise.

Un calcul LES très résolu d?un jet en impaction a été effectué sur un maillage de 5M de points et comparé à un calcul de la même géométrie avec un maillage de 2,8M de points. Le but était de tester la qualité d?un modèle récemment développé dans l?équipe : modèle de similarité mixte pour la viscosité turbulente de sous-maille combinant le modèle de similarité et l?approche WALE (Nicoud et Ducros Flox Turb. Comb. 1999). Le calcul le plus raffiné consomme 10 fois plus de temps cpu (augmentation reliée au nombre de point plus important et à la diminution du pas de temps sur un maillage plus raffiné). L'amélioration des résultats avec le maillage raffiné reste néanmoins marginale confirmant l'efficacité à moindre coût du modèle développé.

Légende de l?image

Flamme de type fente, structures tourbillonaires colorées par la variable d?avancement.

1- G. Lodato, L. Vervisch, P. Domingo (2008) A Compressible WALE-Similarity Mixed Model for Large-Eddy Simulation of Impinging Round Jet, soumis à Physics of Fluids, en revision

2- G. Lodato, P. Domingo, L. Vervisch,D. Veynante (2008) « Scalar variances: LES against measurements and mesh optimization criterion. Scalar gradient: A three-dimensional estimation from planar measurements using DNS »,  Center for Turbulence Research Proceedings of the Summer Program, Stanford University